江淮分水嶺地區(qū)塘壩系統(tǒng)空間格局及效應(yīng)分析

曹鑫悅，周亮廣，戴仕寶，郭家樂(lè)，居肖肖

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000)

江淮分水嶺位于長(zhǎng)江與淮河之間，以平原和丘陵為主[1]，是我國(guó)塘壩分布最為典型的區(qū)域[2-3]，塘壩作為1種有效的小型水利灌溉工程，星羅棋布地分布在灌區(qū)中[4]。江淮分水嶺地區(qū)水資源嚴(yán)重不足[5]，同時(shí)區(qū)內(nèi)地形起伏，不利于修建大型水利設(shè)施，主要依靠塘壩和小型水庫(kù)蓄水，攔蓄水量有限，耕地灌溉保證率相對(duì)比較低[6]。

塘壩在江淮分水嶺地區(qū)旱災(zāi)防治中的作用明顯。王慶、蔣尚明等參考作物需水量(彭曼-蒙蒂斯Penman-Monteith)公式結(jié)合農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)研究得出塘壩是作物灌溉中的水資源最優(yōu)化利用工程的結(jié)論；金菊良、原晨陽(yáng)等基于供水平衡分析的塘壩可供水量采用復(fù)蓄次數(shù)計(jì)算法對(duì)江淮丘陵區(qū)20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初的塘壩灌區(qū)抗旱能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明江淮丘陵區(qū)大部分地市及全區(qū)的塘壩灌區(qū)抗旱能力總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[7-8]。2000年以來(lái)，采用遙感手段研究河流地貌得到廣泛應(yīng)用，王磊、胡伍生等采用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)從DEM獲取黃河源地區(qū)各級(jí)水系長(zhǎng)度、數(shù)目、密度及流域面積等參數(shù)，研究成果顯著[9-10]。王錄倉(cāng)、高靜等采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法研究灌區(qū)聚落與水土資源空間的耦合關(guān)系，為研究塘壩與耕地之間的耦合性提供實(shí)證參考[11]。

在干旱缺水日益突出的江淮分水嶺脊兩側(cè)，研究江淮丘陵區(qū)典型樣區(qū)塘壩系統(tǒng)的格局特征對(duì)于進(jìn)一步發(fā)揮和提高塘壩蓄水調(diào)控能力、合理調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、科學(xué)制訂抗旱規(guī)劃及指導(dǎo)塘壩科學(xué)管理和建設(shè)具有重要意義[12]。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

在章廣鎮(zhèn)(樣區(qū)1)與三界鎮(zhèn)(樣區(qū)2)選取2個(gè)典型樣區(qū)為研究對(duì)象。樣區(qū)1位于滁州市南譙區(qū)的西南部，由3個(gè)相鄰的村莊(小徐、南黃、大埂)組成，包含1個(gè)大型水庫(kù)和74個(gè)體量不同的塘壩。樣區(qū)2位于滁州市明光市，由3個(gè)相鄰的村莊(小許、石梗、灰崗)組成，包含2個(gè)大型水庫(kù)和87個(gè)體量不同的塘壩。兩樣區(qū)內(nèi)地形低緩，地貌崗沖交錯(cuò)，各自成相對(duì)封閉的小流域。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究數(shù)據(jù)包括0.5 m天地圖高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，中科院地理空間數(shù)據(jù)云獲取的研究區(qū)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，以及實(shí)測(cè)的塘壩水體數(shù)據(jù)。使用南方S86GPS RTK及測(cè)量尺進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，包括水體輪廓的經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程信息及水體的深度數(shù)據(jù)。

針對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)，在Envi中進(jìn)行圖像預(yù)處理后加載到Arcgis中進(jìn)行解譯，確定土地利用類型有塘壩、水田、旱地、林地、荒草地、居民地、道路。

針對(duì)采集的塘壩水體原始數(shù)據(jù)，采用南方CASS 軟件對(duì)其進(jìn)行處理，獲得研究區(qū)域水體的水面面積、體積、水面高程、平均深度、庫(kù)容量等信息。

2 研究方法

2.1 塘壩系統(tǒng)分級(jí)

對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充、水流方向提取、洼地計(jì)算、河網(wǎng)提取、匯流量累積、河網(wǎng)生成，作為塘壩分級(jí)前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

塘壩分級(jí)：基于河網(wǎng)水系的水道分級(jí)原理，將塘壩水系模擬成河流樹(shù)狀水系，按照Horton與Strahler定義原則，依照?qǐng)D1所示，對(duì)樣區(qū)內(nèi)的塘壩進(jìn)行分級(jí)。

圖1 分級(jí)原理

2.2 塘壩標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

SD度量空間要素分布的離散趨勢(shì)反映塘壩、水田與旱地等要素空間展布的平均范圍。SDE用于揭示要素的空間分布特征，橢圓的長(zhǎng)軸方向表征塘壩、水田、旱地的主要分布方向，橢圓的面積表征塘壩、水田、旱地的分散(緊湊)程度，橢圓的長(zhǎng)、短軸的比值體現(xiàn)塘壩、水田、旱地等空間分布的形態(tài)。

2.2.1 SDE

(1)

2.2.2 旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算

(2)

2.2.3 計(jì)算沿長(zhǎng)軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差和短軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差

(3)

2.3 不同降水概率下塘壩供水量及綜合灌溉需水量計(jì)算

參考文獻(xiàn)[13]中在不同降水概率下塘壩的復(fù)蓄次數(shù)，計(jì)算出塘壩在相應(yīng)降水概率下的復(fù)蓄庫(kù)容作為供水量

M供=n×M蓄.

(4)

式中：M供為塘壩供水量，n為塘壩復(fù)蓄次數(shù)，M蓄為塘壩庫(kù)容。

借鑒金菊良、王慶[14]等以水旱比和復(fù)種指數(shù)構(gòu)建的塘壩灌溉區(qū)耕地綜合灌溉需水量計(jì)算公式，引用水田和旱地單季每公頃在不同降水概率下耕地灌溉需水量[7]。

M需=A×M平均×f,

(5)

式中：M需為耕地綜合灌溉需水量,m3；A為塘壩灌溉耕地面積,hm2;f為復(fù)種指數(shù)，取2;α為水旱比;M水和M旱分別為水田和旱地單季每公頃在不同降水概率下耕地灌溉需水量,m3。

本文以江淮丘陵兩個(gè)小流域塘壩為研究對(duì)象，從土地利用、地形、塘壩與耕地類型耦合性、分級(jí)塘壩水資源供需比出發(fā)，研究分析塘壩的空間格局，得出其空間格局和耦合效應(yīng)，為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

3 研究結(jié)果

3.1 研究區(qū)土地利用特征

基于高清遙感衛(wèi)星影像，在ENVI中進(jìn)行圖像增強(qiáng)后轉(zhuǎn)入Arcgis中進(jìn)行解譯，得到土地利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 樣區(qū)1矢量化結(jié)果

圖3 樣區(qū)2矢量化結(jié)果

由表1可見(jiàn)，樣區(qū)1和樣區(qū)2面積分別為5.3 km2和6.17 km2。樣區(qū)1中水田與林地占較大比例，而樣區(qū)2內(nèi)旱地與水田為主要的土地利用類型，其中,旱地占比60%以上，而塘壩僅占比3.19%；樣區(qū)1中的林地占比高達(dá)一半以上，樣區(qū)2林地占比僅為11.23%。

表1 研究區(qū)土地利用面積分布

3.2 塘壩與耕地類型分布關(guān)系

兩樣區(qū)的主要耕地類型為水田、旱地，塘壩是主要的灌溉水源。由矢量結(jié)果可得，水田基本都位于塘壩的壩體下方，隨著海拔的高度下降，連續(xù)分布，與水流方向一致；旱地在樣區(qū)1中主要分布在塘壩與林地周邊，而在樣區(qū)2內(nèi)分布范圍較廣，開(kāi)墾力度比較大。為研究塘壩與耕地類型間的分布關(guān)系，通過(guò)對(duì)塘壩生成以25 m為間隔的緩沖區(qū)，求出其每一個(gè)單位間隔內(nèi)與水田和旱地的相交面積，來(lái)分析不同距離內(nèi)灌溉耕地比重。

Arcgis中每25 m距離間隔內(nèi)生成的塘壩緩沖區(qū)與水田、旱地相交面積的結(jié)果：樣區(qū)1塘壩緩沖區(qū)范圍為0～350 m(見(jiàn)圖4)；樣區(qū)2為0～400 m(見(jiàn)圖5)。統(tǒng)計(jì)出每25 m塘壩緩沖區(qū)水田旱地所占的比重如圖6所示。

圖4 樣區(qū)1 25～350 m塘壩、水田、旱地緩沖區(qū)一覽

研究發(fā)現(xiàn)：

1)水田與旱地在樣區(qū)1主要分布在塘壩緩沖區(qū)20～75 m范圍內(nèi)，樣區(qū)2在25～125 m范圍內(nèi)，其占比接近50%。

2)樣區(qū)1水田與旱地都在塘壩緩沖區(qū)125～150 m范圍內(nèi)下降速率最大；樣區(qū)2水田在200～225 m范圍內(nèi)、旱地在150～175 m范圍內(nèi)下降速率最大。

3)樣區(qū)1水田在50～75 m緩沖區(qū)內(nèi)占比重最大，與戴仕寶教授等研究相吻合[15]，而旱地分布范圍在25～50 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)占比重最大；樣區(qū)2水田在100～125 m范圍內(nèi)占比重最大，旱地在50～75 m范圍內(nèi)比重最大；兩樣區(qū)都呈現(xiàn)出拋物線的趨勢(shì)，向兩側(cè)遞減。

圖6 不同距離緩沖區(qū)內(nèi)旱地、水田所占比例

3.3 塘壩與土地利用耦合關(guān)系分析

運(yùn)用Arcgis10.2空間分析工具標(biāo)準(zhǔn)差橢圓Directional Distribution工具，構(gòu)建樣區(qū)塘壩、水田、旱地耦合關(guān)系模型，如圖7所示，由表2分析發(fā)現(xiàn)：

1)樣區(qū)1中，塘壩、水田的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓基本重合，空間走向基本一致，周長(zhǎng)與面積較旱地更為接近。在南北向呈擴(kuò)張狀態(tài)，東西向呈壓縮狀態(tài)，旱地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓較前者長(zhǎng)軸、短軸更短,表明水田與塘壩存在著高度的空間耦合性。在實(shí)際情況中，塘壩在一定程度上提供蓄積水田所需的水資源，減少耕地出現(xiàn)干旱情況。

圖7 塘壩、水田、旱地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

表2 塘壩空間分布格局的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

2)樣區(qū)2中，塘壩、水田標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的空間分布走向一致，周長(zhǎng)與面積較旱地更為接近。在東北和西南方向呈擴(kuò)張狀態(tài)，二者橢圓長(zhǎng)軸呈東北-西南向展布。旱地空間分布模式較水田而言，傾角更小，接近于南北向分布，長(zhǎng)軸更長(zhǎng)，短軸更短，與塘壩的標(biāo)準(zhǔn)差模型耦合較差。實(shí)際生產(chǎn)中，塘壩不能很好地滿足水田和旱地需水，干旱現(xiàn)象多發(fā)。

3.4 塘壩系統(tǒng)分級(jí)

3.4.1 塘壩水系分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

按照樣區(qū)水流網(wǎng)，將塘壩與水田灌溉系統(tǒng)形成的水系線，結(jié)合塘壩分布位置，分成一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)塘壩系統(tǒng)，對(duì)分級(jí)塘壩的數(shù)量、面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)每一級(jí)塘壩的高度、坡度進(jìn)行對(duì)比，如圖8、圖9所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

圖8 樣區(qū)1塘壩分級(jí)

圖9 樣區(qū)2塘壩分級(jí)

樣區(qū)1塘壩數(shù)量共74個(gè)，按照水道分級(jí)原理，分為3級(jí)。三界鎮(zhèn)樣區(qū)塘壩106個(gè)，分為2級(jí)。

表3 樣區(qū)塘壩、水田、旱地面積分級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.4.2 塘壩地形分析

對(duì)DEM進(jìn)行空間分析及區(qū)域統(tǒng)計(jì)，獲取分級(jí)塘壩的海拔、高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如圖10～圖12所示。

圖10 一級(jí)塘壩高度、坡度統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

圖11 二級(jí)塘壩高度、坡度統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

圖12 三級(jí)塘壩高度、坡度統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

從散點(diǎn)圖與描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得到：

1)3個(gè)等級(jí)塘壩的海拔高度在80～100 m內(nèi)居多，而塘壩坡度均在7°以下。兩樣區(qū)每個(gè)級(jí)別塘壩高度差值范圍不超過(guò)2 m。

2)3個(gè)等級(jí)塘壩的海拔高度和坡度呈現(xiàn)按等級(jí)升高,數(shù)值依次遞減趨勢(shì)。塘壩海拔高度最小值都為75 m，而最大值則隨著塘壩等級(jí)的升高逐漸降低；塘壩坡度隨級(jí)別變化趨勢(shì)與塘壩高度類似，每升高1個(gè)級(jí)別，坡度減少2°。

3.4.3 塘壩水量供需比計(jì)算

運(yùn)用塘壩分級(jí)數(shù)據(jù)，采用式(4)、式(5)計(jì)算，得到每個(gè)級(jí)別塘壩供水量與耕地需水量之比，如圖13所示。

結(jié)果顯示：在降水概率p=50%、75%、85%、90%、95%時(shí)，兩樣區(qū)的二級(jí)塘壩都能基本滿足耕地的灌溉需求，并且大部分遠(yuǎn)超耕地的灌溉需求，最多可達(dá)到5倍之多，樣區(qū)1的三級(jí)塘壩系統(tǒng)同樣如此。而在一級(jí)塘壩中，在P=50%、75%時(shí)樣區(qū)1中的供水能力能滿足耕地的需水要求，而當(dāng)P=85%、90%、95%時(shí)樣區(qū)1塘壩則無(wú)法滿足；樣區(qū)2在P=50%的最大供需比僅0.488，在其他降水概率下，供需比更小，均無(wú)法滿足耕地的灌溉需求。

3.4.4 總耕地水資源供需關(guān)系

綜合實(shí)地測(cè)量，運(yùn)用2.3中所述公式進(jìn)行計(jì)算分析,如圖14所示。

圖13 分級(jí)塘壩供水量、耕地需水量比值

圖14 兩樣區(qū)塘壩供水量、耕地需水量比值

樣區(qū)1供需比在P=95%年降水量情況下為0.72，塘壩供水能力與實(shí)際耕地需水量相差較大，而在P=90%、85%、75%、50%年降水量情況下基本滿足耕地的灌溉需求，與實(shí)地情況相吻合。而樣區(qū)2的供需比在P=50%年降水量情況下為0.79，塘壩供水能力與實(shí)際耕地需水量相差較大，在P=95%、90%、85%、75%年降水量情況下供需比更低，無(wú)法滿足需求。

4 結(jié) 論

1)兩樣區(qū)以水田與旱地為主要的耕地利用類型。兩樣區(qū)的水田與旱地面積距離塘壩分布均呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，向兩側(cè)遞減。樣區(qū)1的水田與旱地的面積下降速率達(dá)到最大值的區(qū)域，相比樣區(qū)2，距離塘壩更近。

2)塘壩、水田的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓基本重合，空間走向基本一致，水田與塘壩存在著高度的空間耦合性；水田空間分布模式與塘壩的空間耦合度較高，而旱地相對(duì)較差。

3)3個(gè)等級(jí)塘壩的海拔高度和坡度呈現(xiàn)按等級(jí)依次遞減的趨勢(shì)。3個(gè)等級(jí)的塘壩海拔高度最小值都為75 m，而最大值則隨著塘壩等級(jí)的升高逐漸降低；塘壩坡度隨級(jí)別變化趨勢(shì)與塘壩高度類似，每升高一個(gè)級(jí)別，坡度減少2°。塘壩的海拔高度在80～100 m內(nèi)居多，而塘壩坡度均在7°以下。

4)分級(jí)塘壩供需比可見(jiàn)，兩樣區(qū)二、三級(jí)塘壩能基本滿足當(dāng)?shù)刈魑锏墓┧?，而一?jí)塘壩則供不應(yīng)求；從總供需比來(lái)看，樣區(qū)1可以滿足當(dāng)?shù)刈魑锏墓喔刃枨?，而樣區(qū)2供水不足，幾乎年年出現(xiàn)干旱。